Введение к работе
Актуальность (техническая задача). В специальных установках с повышенными требованиями к исполнительным электроприводам (ЭП) — в частности, систем поворота антенн и солнечных батарей космических аппаратов (КА), должны обеспечиваться низкие скорости вращения с высокой точностью в статических и динамических режимах при малом потреблении мощности и сроке активного существования (САС) 10... 15 лет. В таких ЭП в настоящее время часто используются индукторные двигатели (ИД). Частным случаем ИД являются индукторные двигатели двойного питания (ИДДП), в которых совмещены два принципа —электромагнитной редукции (за счёт выполнения зубцов статора и ротора) и двойного питания (за счёт размещения на статоре двух многофазных обмоток, запитываемых от двух независимых источников напряжения).
В результате, ИДДП обладают уникальным сочетанием свойств — высокой равномерностью вращения на самых малых скоростях, реверсом, отсутствием необходимости в механическом редукторе, повышенными значениями электромагнитного момента. Но есть и такие свойства, которые ограничивают возможности их применения. В частности, из-за того, что угловая скорость пропорциональна разности частот питающих напряжений, потребляемый обмотками ток зависит от амплитуды приложенного напряжения, а не только от момента нагрузки, как у двигателей, не использующих принцип двойного питания. Поэтому следует дополнительно регулировать амплитуды питающих напряжений, так как даже при уменьшении механической нагрузки на валу потребление тока остаётся значительным. В связи с этим возникает проблема минимизации электрических потерь за счёт выбора оптимального соотношения частот и амплитуд питающих напряжений для заданной скорости вращения.
В рассматриваемых ЭП возможны различные режимы работы: например, быстрый переброс из одного положения в другое с целью поиска Солнца или точки на земной поверхности и др. Наиболее характерным является квазиустановившийся режим работы, когда ЭП осуществляет вращение антенны или солнечной батареи с постоянной или плавно меняющейся скоростью. Более редким, но характерным является также быстрый переход с одной малой скорости на другую при изменении ориентации космического аппарата.
Теория электроприводов двойного питания, частично распространяющаяся также на ИДДП, развивалась с учётом результатов для асинхронных двигателей с фазным ротором многими учёными, среди которых: С.М.Гохберг, В.Т.Касьянов, А.И.Важнов, М.М.Ботвиник, Ю.Г.Шакарян, В.В.Рудаков, И.М.Столяров, В.А.Дартау, Г.Б.Онищенко, Ю.А.Сабинин, Н.Н.Блоцкий, И.Л.Локтева, Ю.П.Сонин, Б.А.Стромин, И.В.Тургенев, И.В.Гуляев, В.А.Барков и др.
Отдельными вопросами проектирования электроприводов с ИДДП успешно занимались: А.С.Куракин, П.Ю.Каасик, С.А.Ковчин, В.В.Жуловян, В.В.Гапо-ненко, Б.П.Соустин, В.И.Пантелеев, В.А.Забуга, С.А.Бронов, С.В.Ченцов, В.В.Суханов, А.В.Марарескул и др. За рубежом такие работы практически не велись.
Основная идея диссертации заключается в том, чтобы по заданному значению скорости электропривода на основе аналитических выражений модели электропривода рассчитывать требуемые частоты и амплитуды питающих напряжений, обеспечивающие минимум электрических потерь в обмотках, а в переходных режимах обеспечивать переход из одного оптимального режима в другой без перерегулирования и колебаний скорости.
Научная задача заключается в отсутствии теоретически обоснованных алгоритмов выбора управляющих величин (частот и амплитуд питающих напряжений), обеспечивающих минимизацию электрических потерь в индукторных электроприводах двойного питания, работающих в наиболее характерном для них квазиустановившемся режиме при постоянной или плавно меняющейся скорости.
Объект исследования диссертационной работы — электропривод с индукторным двигателем двойного питания (с электромагнитной редукцией).
Предмет исследования диссертационной работы — алгоритмы управления, а также статические, динамические и энергетические характеристики индукторного электропривода двойного питания в квазиустановившемся режиме при частотно-независимом управлении.
Цель: разработка и исследование алгоритмов частотного управления, обеспечивающих минимизацию электрических потерь в индукторном электроприводе двойного питания в квазиустановившемся режиме.
Задачи исследования:
разработка алгоритма автоматизированного формирования комплекса математических моделей ИДДП в аналитическом виде с использованием символьного процессора программы MathCAD;
получение комплекса полных и упрощённых моделей ИДДП для установившихся и динамических режимов;
постановка и решение задачи минимизации электрических потерь в обмотках ИДДП в квазиустановившемся режиме для различных вариантов регулирования частот и амплитуд обоих питающих напряжений;
постановка и решение задачи формирования желаемых переходных характеристик при регулировании скорости в разомкнутой системе электропривода с
иддп.
Методы исследования: математическая теория электрических машин, включая теорию обобщённого электромеханического преобразователя энергии, для анализа электромеханических процессов в электроприводе с ИДДП; метод переменных состояния в сочетании с аппаратом передаточных функций для анализа и синтеза динамических характеристик электропривода; компьютерная алгебра с применением символьного процессора программы MathCAD для автоматизации получения аналитических моделей ИДДП; численные методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений с использованием программы MathCAD; методы численной оптимизации; комплексная автоматизация экспериментальных исследований на базе аппаратуры International Instruments, экспериментального образца двигателя, прецизионного датчика углового положения и программного обеспечения Lab VIEW 8.5.
Основные новые научные результаты, выносимые на защиту:
Разработан и программно реализован алгоритм формирования комплекса аналитических моделей индукторного двигателя двойного питания при различных сочетаниях используемых допущений, отличающийся автоматизацией всех символьных выкладок.
С использованием разработанного алгоритма получены аналитические модели индукторного двигателя двойного питания, в том числе в форме передаточных функций и для установившегося режима, отличающиеся от известных учётом большего числа параметров двигателя и режима.
На основе полученных математических моделей разработаны алгоритмы минимизации электрических потерь в обмотках для заданной скорости путём одновременного регулирования у питающих напряжений всех амплитуд и частот или только частот при постоянстве амплитуд.
С использованием полученных передаточных функций разработан алгоритм формирования желаемых переходных характеристик индукторного электропривода двойного питания при регулировании скорости с учётом минимизации электрических потерь в обмотках в начальной и конечной точках режима работы.
Значение для теории заключается в том, что усовершенствована и алгоритмизирована методика получения комплекса математических моделей ИДДП с использованием символьного процессора, а также научно обоснованы принципы проектирования систем управления индукторным электроприводом двойного питания, обеспечивающих минимизацию электрических потерь в обмотках двигателя в квазиустановившемся режиме.
Значение для практики состоит в том, что за счёт автоматического выбора управляющих величин обеспечивается снижение электрических потерь в обмотках индукторного двигателя двойного питания на 10...40%, в зависимости от параметров двигателя и режима работы.
Обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждаются удовлетворительным совпадением теоретических характеристик, полученных методами моделирования с использованием программ MathCAD и Matlab по полным и упрощённым вариантам математических моделей, с отдельными экспериментальными характеристиками, полученными на экспериментальной установке на базе аппаратно-программного комплекса National Instruments в сочетании с программой LAbVIEW8.5.
Материалы диссертационных исследований использованы в рамках учебного процесса по учебным дисциплинам "Математическое программное обеспечение", "Механика" и "Модели и методы анализа проектных решений" специальности 230104.65 "Системы автоматизированного проектирования" в научно-учебной лаборатории систем автоматизированного проектирования кафедры систем искусственного интеллекта Института космических и информационных технологий СФУ.
Все теоретические результаты диссертации получены лично автором, экспериментальные исследования выполнены при участии сотрудников научно-
учебной лаборатории систем автоматизированного проектирования СФУ П. В. Авласко и В. А. Поваляева.
Полученные результаты рекомендуется использовать на предприятиях космической промышленности, в частности, ОАО "Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва", а также в автономных установках с повышенными требованиями к точности, сроку активного существования и потребляемой мощности.
Апробация результатов диссертации состоялась на конференциях: IV Международной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии", 13—16 октября 2009 г. (г. Томск); Всероссийской научно-технической конференции "Научная сессия ТУСУР-2009", 12—15 мая 2009 г. (г. Томск); XIII Междунар. науч. конф., посвящ. 50-летию Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та имени академика М. Ф. Решетнёва, 10—12 нояб. 2009, (г. Красноярск); Всероссийской научно-технической конференции "Научная сессия ТУСУР-2010", 4—7 мая 2010 г. (г. Томск); международной пятнадцатой научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока", 12—16 марта 2012 г., ФГАОУ ВПО "УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина" (г. Екатеринбург).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 научных работах, из которых 1 публикация в рецензируемом журнале по перечню ВАК и 8 докладов в материалах всероссийских и международных конференций.
Общая характеристика диссертации. Диссертация состоит из 4 разделов, содержит основной текст на 104 с, 36 иллюстраций, приложения на 32 с, список использованных источников из 108 наименований.
